Кислородная совместимость - Oxygen compatibility

Кислородная совместимость это вопрос совместимости материалов для эксплуатации в высоких концентрации из кислород. Это критическая проблема в космосе, самолетах, медицине, подводном плавании и промышленности. Аспекты включают влияние повышенной концентрации кислорода на зажигание и горящий материалов и компонентов, подверженных этим концентрациям в процессе эксплуатации.

Понимание опасность пожара необходимо при проектировании, эксплуатации и техническом обслуживании кислородных систем для предотвращения пожаров. Риски воспламенения можно свести к минимуму, контролируя источники тепла и используя материалы, которые не воспламеняются или не поддерживают горение в соответствующей среде. Некоторые материалы более восприимчивы к возгоранию в среде, богатой кислородом, и совместимость следует оценить до того, как компонент будет введен в кислородную систему.^[1] На опасность возгорания влияют как относительное давление, так и концентрация кислорода.

Вопросы очистки и дизайна тесно связаны с совместимостью материалов для обеспечения безопасности и долговечности при работе с кислородом.

Предотвращение пожара

Пожары возникают, когда кислород, топливо и тепловая энергия объединяются в самоподдерживающейся химической реакции. В кислородной системе подразумевается присутствие кислорода, и при достаточно высоком парциальном давлении кислорода большинство материалов можно рассматривать как топливо. Потенциальные источники воспламенения присутствуют почти во всех кислородных системах, но опасность возгорания можно уменьшить, контролируя факторы риска, связанные с кислородом, топливом или теплом, которые могут ограничить тенденцию к возникновению химической реакции.

Материалы легче воспламеняются и легче горят при увеличении давления или концентрации кислорода. поэтому работы кислородных систем при минимально возможных давлении и концентрации может быть достаточно, чтобы избежать воспламенения и возгорания.

Использование материалов, которые по своей природе более трудно воспламеняются или устойчивы к продолжительному горению, или которые выделяют меньше энергии при горении, в некоторых случаях может исключить возможность возгорания или минимизировать ущерб, причиненный огнем.

Хотя источники тепла могут быть неотъемлемой частью работы кислородной системы, инициирование химической реакции между материалами системы и кислородом можно ограничить, контролируя способность этих источников тепла вызывать воспламенение. Конструктивные особенности, которые могут ограничивать или рассеивать выделяемое тепло, чтобы поддерживать температуры ниже температур воспламенения материалов системы, предотвращают возгорание.

Кислородную систему также следует защищать от внешних источников тепла.^[1]

Оценка кислородной совместимости

Процесс оценки кислородной совместимости обычно включает следующие этапы:^[1]

Выявление наихудших условий эксплуатации.
Оценка воспламеняемости материалов системы. Следует учитывать геометрию, так как большинство материалов более легковоспламеняющиеся, если они имеют малое поперечное сечение или мелко разделены.
Оценка наличия и вероятности механизмов возгорания. Они могут включать:
- Химическая реакция: экзотермическая реакция между химическими веществами, которая может выделять достаточно тепла для воспламенения окружающих материалов.
- Электрическая дуга: электрическая дуга с достаточной энергией, чтобы зажечь материал, на который распространяется дуга.
- Выхлоп двигателя
- Взрывные заряды
- Трение потока: тепло, генерируемое высокоскоростным потоком кислорода по неметаллу.
  - Примечание:Трение потока - это гипотеза. Трение потока не было экспериментально подтверждено и должно рассматриваться только в сочетании с утвержденными механизмами зажигания.
- Трение между относительно движущимися частями
- Фрагменты лопнувших сосудов
- Воздействие свежего металла: тепло окисления выделяется, когда неокисленный металл подвергается воздействию окислительной атмосферы. Обычно связано с переломом, ударами или трением.
- Раздражающий и трение: Тепло, выделяемое при трении компонентов друг о друга.
- Молнии и другие электрические дуговые разряды
- Механическое воздействие: тепло, выделяемое при ударе о материал с энергией, достаточной для его возгорания.
- Открытое пламя
- Удар частиц: тепло, выделяемое, когда мелкие частицы ударяются о материал с достаточной скоростью, чтобы воспламенить частицу или материал.
- Курение персонала
- Быстрое повышение давления: тепло, выделяемое одним или несколькими адиабатическое сжатие События.
- Резонанс: Акустические колебания в резонансных полостях, вызывающие быстрое повышение температуры.
- Статический разряд: разряд накопленного статического электрического заряда с энергией, достаточной для воспламенения материала, принимающего заряд.
- Термический неуправляемый выброс: процесс, при котором тепло выделяется быстрее, чем оно может рассеиваться.
- Сварка
Оценка риска возгорания и последствий возгорания. Дальнейшее развитие или гашение огня.
Анализ последствий пожара

Анализ совместимости также должен учитывать историю использования компонента или материала в аналогичных условиях или аналогичного компонента.

Кислородный сервис

Работа с кислородом подразумевает использование в контакте с высоким парциальным давлением кислорода. Обычно это означает более высокое парциальное давление, чем возможно для сжатого воздуха, но также может возникать при более низком давлении, когда концентрация высока.

Кислородная очистка

Кислородная очистка - это подготовка к работе с кислородом, гарантирующая, что поверхности, которые могут контактировать с высоким парциальным давлением кислорода во время использования, не содержат загрязняющих веществ, повышающих риск возгорания.^[2]

Кислородная очистка является необходимым, но не всегда достаточным условием для работы с высоким парциальным давлением или кислородом с высокой концентрацией. Используемые материалы также должны быть совместимы с кислородом при всех ожидаемых условиях эксплуатации. Алюминиевые и титановые компоненты не подходят для работы с кислородом. ^[2]

В случае оборудования для дайвинга кислородная очистка обычно включает разборку оборудования на отдельные компоненты, которые затем тщательно очищаются от углеводородов и других горючих загрязняющих веществ с использованием негорючих нетоксичных очистителей. После высыхания оборудование повторно собирают в чистых условиях. При повторной сборке смазочные материалы заменяются специально совместимыми с кислородом заменителями.^[2]

Стандарт и требования к кислородной очистке водолазного снаряжения различаются в зависимости от области применения и применимого законодательства и практических правил. Для оборудования для подводного плавания промышленным стандартом является то, что дыхательный аппарат, который будет подвергаться воздействию концентрации кислорода, превышающей 40% по объему, должен быть кислород очищается перед вводом в эксплуатацию.^[2] К оборудованию, поставляемому с поверхности, могут предъявляться более строгие требования, поскольку дайвер не сможет снять оборудование в случае аварии. Очистка кислородом может потребоваться для концентраций до 23%.^[3] Другие общие спецификации для очистки кислородом включают ASTM G93 и CGA G-4.1.^[4]

Используемые чистящие средства варьируются от мощных промышленных растворителей и моющих средств, таких как жидкости. фреон, трихлорэтилен и безводный тринатрийфосфат с последующим ополаскиванием деионизированная вода. Эти материалы в настоящее время обычно не рекомендуются как экологически вредные и неоправданно опасные для здоровья. Было обнаружено, что некоторые сильные универсальные бытовые моющие средства хорошо справляются со своей работой. Их разводят водой перед использованием и используют горячими для максимальной эффективности. Ультразвуковое перемешивание, встряхивание, распыление под давлением и галтовка с использованием стеклянных шариков или шариков из нержавеющей стали или мягких керамических абразивов эффективно используются для ускорения процесса там, где это необходимо. Необходимо тщательно промыть и высушить оборудование, чтобы не допустить загрязнения чистящим средством. Ополаскивание следует продолжать до тех пор, пока вода для ополаскивания не станет прозрачной и не образует стойкую пену при встряхивании. Сушка с использованием нагретого газа - обычно горячего воздуха - обычна и ускоряет процесс. Использование осушающего газа с низким содержанием кислорода может снизить образование мгновенной ржавчины внутри стальных цилиндров.^[2]

После очистки и сушки, а также перед повторной сборкой очищенные поверхности проверяются и, при необходимости, проверяются на наличие загрязнений. Обследование при ультрафиолетовом освещении может выявить наличие флуоресцентных загрязняющих веществ, но не гарантирует выявление всех загрязняющих веществ.^[2]

Дизайн кислородной службы

Дизайн кислородной службы включает несколько аспектов:

Выбор кислородосовместимых материалов для открытых компонентов.^[5]
Сведение к минимуму открытой площади материалов, которые необходимы по функциональным причинам, но менее совместимы, и недопущение высоких скоростей потока при контакте с этими материалами.^[5]
Обеспечивает эффективную теплопередачу во избежание повышения температуры компонентов.^[5]
Сведение к минимуму возможности адиабатического нагрева за счет внезапного повышения давления - например, за счет использования клапанов, которые не могут быть открыты внезапно до полного прохода, или открытия против регулятора давления.^[5]
Обеспечение гладких поверхностей, контактирующих с потоком, где это практически возможно, и минимизация резких изменений направления потока.
Использование пламегасители /Преследователи воспоминаний /Кислородные противопожарные заглушки в гибком шланге

Материалы, совместимые с кислородом

Как правило, кислородная совместимость связана с высокой температурой воспламенения и низкой скоростью реакции при воспламенении.^[6]

Органические материалы обычно имеют более низкие температуры воспламенения, чем металлы, которые считаются подходящими для работы с кислородом. Поэтому следует избегать или сводить к минимуму использование органических материалов, контактирующих с кислородом, особенно когда материал подвергается прямому воздействию потока газа. Когда необходимо использовать органический материал для таких деталей, как диафрагмы, уплотнения, набивка или седла клапана, обычно выбирается материал с самой высокой температурой воспламенения для требуемых механических свойств. Фторэластомеры предпочтительны там, где большие площади находятся в непосредственном контакте с потоком кислорода. Другие материалы могут быть приемлемыми для статических уплотнений, где поток не входит в прямой контакт с компонентом.^[6]

Следует использовать только проверенные и сертифицированные смазочные материалы и герметики, совместимые с кислородом, и в настолько малых количествах, насколько это практически возможно для эффективного функционирования. Следует избегать выброса излишков герметика или загрязнения смазкой в области потока.^[5]

Обычно используемые конструкционные металлы с высокой устойчивостью к воспламенению в кислороде включают медь, медные сплавы и медно-никелевые сплавы, и эти металлы также обычно не вызывают горения, что делает их в целом пригодными для работы с кислородом. Они также доступны из легко режущихся, литейных или высокопластичных сплавов и достаточно прочные, поэтому их можно использовать для широкого диапазона компонентов для работы с кислородом.^[6]

Алюминиевые сплавы имеют относительно низкую температуру воспламенения и выделяют большое количество тепла при сгорании и не считаются подходящими для работы с кислородом, где они будут подвергаться прямому воздействию потока, но приемлемы для баллонов для хранения, где скорость потока и температуры низкие.^[5]

Приложения

Аэрокосмическая промышленность
Медицинское - Наука и практика диагностики, лечения и профилактики физических и психических заболеваний
Производство - Промышленная деятельность по производству товаров для продажи с использованием рабочей силы и машин
Подводное плавание - Спуск под поверхность воды для взаимодействия с окружающей средой

Исследование

Анализ опасностей проводится для материалов, компонентов и систем; а анализ отказов определяет причину пожара. Результаты используются при проектировании и эксплуатации безопасных кислородных систем.